【生物材料】牛心包BP

来源:微信公众号 MiHeart 原作者 Mi      时间:2020-01-06

    笔者一直相信独自蒙头学习不如大家一起交流来得好,这也是MiHeart公众号成立的初衷,在此,非常谢谢热情关注并不吝于给与建议和意见的各位老师们。

    今天继续讲讲牛心包。Australian Country Choice,ACC作为某知名瓣膜大厂的生物制品供应商之一,从2004年起一直向其提供牛生物制品(看名字就晓得来自牛肉大国~同理还有新西兰)。ACC从授权的超过40个农场获得动物,牛必须年轻,不满24个月大(亦有30个月的说法),必须非常健康;牛的数据可追溯,并记录整个过程。

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图1 提供生物瓣膜制品的牛农场


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图2 受过训练的人员仔细清除附着在心包上的脂肪

(当然牛肉还是要的~)


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图3 经过漫长的清洁过程后的牛心包组织

     牛心包组织在彻底清洁后,冷藏空运送至生产厂家,测试无瑕疵后再手工缝合,每个瓣膜需要约12-18小时的手工缝合时间。(视频因为血腥不能上传?)当然牛心包作为胶原蛋白含量较高的生物制品,除了心脏外,可用于疝气修补、强化;妇女骨盆底重建;牙科牙膜;整形手术和普通胃肠外科加固等多类手术。

    牛心包的天然结构分为三层:1)浆膜层,由间皮细胞组成的内部薄层;2)纤维层,不同方向的波浪状胶原蛋白和弹性蛋白组成的较厚一层;3)心外膜结缔组织层,即与心包胸膜韧带部分延续的外层。

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图4 生物瓣膜的主要种类一览表

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图5 电镜下的牛心包

(由于胶原蛋白束的波浪状结构,可观察到胶原蛋白束的纵向--箭头和横截面--三角,可很好地识别这些胶原蛋白的微纤维,其直径是固定的,约为50nm)

     心包生物假体在临床使用之前,必须执行大量的处理步骤,特别是预防异种细胞抗原诱导的免疫反应或免疫介导的排斥反应。此时,脱细胞被广泛用于减少宿主组织反应,脱细胞策略的选择必须整合机械性能、支架孔尺寸、组织整合和长期钙化的影响。戊二醛(Glutaraldehyde,GA)固定的牛心包可增强心包的稳定性和强度,因此GA仍然是交联剂中的金标准。GA是一种典型的加工剂,能将赖氨酸、羟基赖氨酸末端的-NH2或氨基酸末端的N,形成胺键,这些胺键在相邻蛋白之间形成在生理温度和pH下稳定的共价键。但GA存在众所周知的缺点,即加速钙化过程和组织疲劳的高风险;此外,残存的GA显示出阻止宿主细胞附着、迁移和增殖的细胞毒性作用。(装瓣过程中要清洗得非常干净)
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图6 心包组织的处理过程

     当然新的抗钙化解决方案,例如化学抗钙化剂,氨基油酸(Ammino oleic acid,AOA)的衍生物已被证实可有效去除失活细胞衍生的膜结合磷脂并减少钙化。交联剂戊二醛固定的替代方案(染料介导的光化Dye-mediated photofication, 基于碳二亚胺的固定Carbodiimide-based fixation)也可尝试。

    心脏瓣膜组织工程(Heart Valve Tissue Engineering,HVTE)和聚合物心脏瓣膜(Polymeric Heart Valves, PHV)当然也饱受期待。(这两个简单概括就是一个针对细胞,一个针对瓣膜结构)

    当然人工瓣膜的临床安全性和耐用性,必须遵守许多法规,通过广泛的体外测试,动物模型(猪或羊)的临床前研究和临床试验验证。瓣膜的生物相容性和血液相容性至关重要,必须遵循ISO 10993准则,体外评估在剪切应力下,人工瓣膜表面与全血在37℃下长时间接触的效果,可使用乳酸脱氢酶LDH活性来测量红细胞的溶解,在灌注设备或其他器械中研究血流诱导的血小板活化。此外还有细胞毒性和瓣膜生物材料的免疫原性,后者评估的是补体(C5a和C3a)激活的程度。根据ISO 5840:2005来评估瓣膜的流体力学性能;此外还须评价材料的耐久性(测试仪)、防污性和无菌性。

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图7 生物瓣膜的生物相容性评价标准

    最后来介绍一下人工心脏瓣膜,主要是牛心包瓣膜的发明人,罗马尼亚出生的英国心脏外科专家Marian Ion Ionescu教授。在经过甲醛处理的第一批猪瓣膜耐久性有限的情况下,Ionescu教授先使用患者自体筋膜组织(覆盖大腿外侧的纤维膜)安装在钛框架上制作瓣膜,但长期随访效果不佳,于是他试验了戊二醛处理后的牛心包(一样是围绕心脏的膜),一样安装在涤纶覆盖的钛框架上,并于1971年首次进行了人体植入,当时的名称是“Ionescu-Shiley心包异种移植物”。

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图9 Marian Ion Ionescu教授(1929~)

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图10 涤纶覆盖的钛金属(右)和缝纫环(左),用于将瓣膜固定于心脏内
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图11 Ionescu-Shiley瓣膜缝合示意图

(针脚未收)



参考文献:

1.  Ivan T. Bartek, Michael P. Holden, Marian I. Ionescu. Frame-mounted tissue heart valves: technique of construction. Thorax(1974),29,51.
2.  Farshad Oveissi, Sina Naficy, Aeryne Lee, et al. Materials and manufacturing perspectives in engineering heart: a review. Materials Today Bio, https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2019.100038

3.  Lucia Musumeci, Nicolas Jacques, Alexandre Hego, et al. Prosthetic aortic valves: challenges and solutions. Front. Cardiovasc. Med., 14 May 2018.


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